"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Сероводород H₂S и сульфиды — соединения, в которых сера обычно имеет степень окисления −2. Это значение показывает, что при условном распределении электронов сера получает их от атомов-партнёров. По степеням окисления можно определить состав сульфида, понять, как сера изменится в реакции, и выяснить, кто выступает окислителем, а кто восстановителем. Главные инструменты для этого — правило электронейтральности и сравнение степеней окисления до и после реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сероводород — соединение H₂S, состоящее из двух атомов водорода и одного атома серы. В этой молекуле водород имеет степень окисления +1, а сера −2. Степень окисления — условный заряд атома, который рассчитывают, считая общие электроны принадлежащими более электроотрицательному элементу. Это понятие помогает описывать состав вещества и изменения, происходящие в реакциях.
Сульфиды — бинарные соединения серы с металлами и некоторыми другими элементами. Бинарными называют вещества, образованные атомами двух химических элементов. В сульфидах металлов сера обычно имеет степень окисления −2, поэтому её значение можно найти по формуле и степени окисления металла. Это позволяет не только определять состав уже известного вещества, но и правильно составлять формулы.
Отрицательная степень окисления показывает, что при условном распределении электронов атом получает их от атомов-партнёров. Сера электроотрицательнее водорода и многих металлов, то есть сильнее притягивает общие электроны. Поэтому в H₂S и большинстве сульфидов ей приписывают значение −2. Степень окисления нужна для расчёта состава и для сравнения атомов до и после химической реакции.
В молекуле H₂S два атома водорода, и каждый в соединении с серой получает степень окисления +1. Молекула в целом не имеет заряда, поэтому сумма степеней окисления всех атомов должна быть равна нулю. Если обозначить степень окисления серы через x, получаем 2 · (+1) + x = 0. Отсюда x = −2: именно такое значение компенсирует суммарные +2 водорода.
В сульфиде металла сначала находят степень окисления металла, опираясь на известные правила, а затем составляют уравнение электронейтральности. Например, в FeS железо имеет степень окисления +2, поэтому (+2) + x = 0 и для серы x = −2. Если металла несколько атомов, его степень окисления учитывают для каждого: в Na₂S два атома натрия дают суммарно +2. Тогда сера должна иметь −2, чтобы общий результат снова стал нулём.
Сера в сероводороде способна выступать окислителем, если принимает электроны и её степень окисления понижается. Например, при взаимодействии с очень активным металлом сера может перейти из −2 в −2? Такое изменение не означает восстановления, поэтому роль нужно устанавливать только по конкретной реакции. В соединениях H₂S обычно проще увидеть роль восстановителя: при получении простого вещества сера меняет степень окисления с −2 на 0, а при образовании SO₂ — с −2 на +4. В обоих случаях степень окисления растёт, значит, сера отдаёт электроны.
Формулу ионного сульфида составляют с учётом зарядов частиц. Сульфид-ион имеет заряд S²⁻, а ионы металлов могут иметь, например, заряды +1, +2 или +3. Число каждого иона выбирают так, чтобы суммарный заряд стал нулевым: для Na⁺ нужны два иона на один S²⁻, а для Fe²⁺ достаточно соотношения один к одному. Для иона M³⁺ наименьшее целое соотношение с S²⁻ — два к трём, поэтому формула имеет вид M₂S₃.
Сероводород и сульфиды могут проявлять восстановительные свойства в реакциях с окислителями. Например, при взаимодействии H₂S с кислородом сера окисляется: её степень окисления повышается с −2 до +4 в SO₂. Кислород при этом восстанавливается, меняя степень окисления с 0 до −2. Значит, H₂S отдаёт электроны и является восстановителем, а O₂ принимает их и выступает окислителем.
В таблице показано, как связаны степень окисления металла, формула сульфида и значение для серы. В формулах M — металл, а индексы выбраны так, чтобы суммарная степень окисления была равна нулю. Чтобы решить задачу по таблице, подставьте степень окисления металла и проверьте, компенсирует ли её вклад сера.
| Вещество или класс | Пример формулы | Степень окисления серы | Как определить |
|---|---|---|---|
| Сероводород | H₂S | −2 | 2 · (+1) + x = 0 |
| Сульфид металла с ионом металла +1 | Na₂S | −2 | 2 · (+1) + x = 0 |
| Сульфид металла с ионом металла +2 | FeS | −2 | (+2) + x = 0 |
| Сульфид металла с ионом металла +3 | Al₂S₃ | −2 | 2 · (+3) + 3x = 0 |
Задача 1. Определите степени окисления элементов в H₂S. Нужно учесть, что водород в соединении с серой имеет степень окисления +1, а вся молекула электронейтральна. Искомое значение для серы найдём из суммы степеней окисления.
Ответ: H имеет степень окисления +1, S — −2.
Задача 2. Определите степень окисления серы в Na₂S и FeS. В первом веществе натрий имеет степень окисления +1, а во втором железо — +2. В каждом случае используем нулевую сумму степеней окисления нейтрального соединения.
Ответ: в Na₂S и FeS степень окисления серы равна −2.
Задача 3. Расставьте коэффициенты в реакции H₂S с кислородом до образования SO₂ и H₂O, укажите окислитель и восстановитель. Сначала найдём элементы, меняющие степени окисления: сера повышает её с −2 до +4, кислород понижает с 0 до −2. Значит, сероводород отдаёт электроны, а кислород принимает.
Ответ: 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O; восстановитель — H₂S, окислитель — O₂.
Ошибка — считать степень окисления серы в H₂S равной +2. Обычно так получается, если забыть, что водород имеет значение +1, и не применить правило электронейтральности. Проверка проста: 2 · (+1) + (−2) = 0, а при сере +2 сумма была бы +4 и молекула оказалась бы не нейтральной.
Степень окисления иногда принимают за реальный заряд атома. Это условная величина, полученная по правилам распределения электронов, тогда как заряд иона относится к частице в целом. Чтобы не смешивать понятия, проверьте, обсуждается ли отдельный ион или атом внутри соединения; степень окисления находят по правилам, а не просто считывают как заряд.
При составлении формулы сульфида можно забыть о соотношении зарядов ионов и записать, например, NaS. Но один Na⁺ и один S²⁻ дают суммарный заряд −1, поэтому такое соотношение не подходит для нейтрального соединения. Проверяйте формулу подсчётом: индексы должны обеспечить равенство суммарных положительных и отрицательных зарядов.
Нельзя называть сероводород окислителем или восстановителем без уравнения реакции. Роль вещества определяется изменением степеней окисления: повышение означает отдачу электронов, понижение — их принятие. Сравните значение серы до и после реакции и только затем делайте вывод.
Для изучения сероводорода и сульфидов нужны правила определения степеней окисления и условие электронейтральности соединений. Эти же знания используют при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций и электронного баланса. Тема также связана с химическими свойствами серы и кислорода: их взаимодействие показывает, как элементы меняют степени окисления. Сравнение с соединениями серы, где она имеет положительную степень окисления, помогает увидеть, что её роль зависит от партнёров и условий реакции.
Почему в сероводороде сера имеет степень окисления −2?
В H₂S каждый атом водорода имеет степень окисления +1. Молекула нейтральна, поэтому сумма степеней окисления равна нулю: 2 · (+1) + x = 0, откуда x = −2 для серы.
Как определить степень окисления серы в сульфиде металла?
Сначала устанавливают степень окисления металла, затем умножают её на число его атомов в формуле. Сумма степеней окисления в нейтральном сульфиде должна быть равна нулю, поэтому по этому условию находят значение для серы.
Чем степень окисления отличается от заряда иона?
Заряд иона — реальный электрический заряд частицы, а степень окисления — условная величина, рассчитанная при предположении, что общие электроны принадлежат более электроотрицательному элементу. В ионных сульфидах значения часто совпадают с зарядами ионов, но так бывает не во всех соединениях.
Почему формула сульфида натрия — Na₂S, а не NaS?
Ион натрия имеет заряд +1, а сульфид-ион — заряд −2. Для нейтрального соединения нужны два иона Na⁺ на один ион S²⁻, поэтому формула — Na₂S.
Как понять, является ли сероводород окислителем или восстановителем?
Нужно сравнить степень окисления серы до реакции и после неё. Если она повышается, сероводород отдаёт электроны и является восстановителем; если понижается, принимает электроны и выступает окислителем.
§ 32. Сероводород и сульфиды содержат серу в отрицательной степени окисления
